Đề tài Thiết kế các bài thí nghiệm cho phòng thí nghiệm vật lý hạt nhân trường Đại học sư phạm TP Hồ Chí Minh

Ngày nay việc triển khai ứng dụng Vật lý hạt nhân trong các lĩnh vực đời sống đang được quan tâm vì những hiệu quả và lợi ích mà nó đem lại. Bên cạnh đó hiện nay nước ta đang chuẩn bị xây dựng nhà máy điện hạt nhân tại Ninh Thuận. Do vậy việc chuẩn bị nguồn nhân lực là hết sức cần thiết. Hiện tại, các trường đại học trong cả nước đang đào tạo sinh viên chuyên ngành Vật lý hạt nhân trong đó có trường Đại học Sư phạm Tp.Hồ Chí Minh. Để tạo điều kiện tốt cho sinh viên thực hành chuyên đề Vật lý hạt nhân trường đã xây dựng Phòng thí nghiệm Vật lý hạt nhân, nhằm phục vụ cho công tác này các thiết bị này trong Phòng thí nghiệm hiện tại đang được đưa vào phục vụ cho công tác đào tào. Chính vì lý do trên mà em đã chọn đề tài “THIẾT KẾ CÁC BÀI THÍ NGHIỆM CHO PHÒNG THÍ NGHIỆM VẬT LÝ HẠT NHÂN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP.HỒ CHÍ MINH” nhằm hoàn chỉnh thêm việc giảng dạy thực hành cho sinh viên ngành Cử nhân Vật lý, Trường Đại học Sư phạm Tp

pdf77 trang | Chia sẻ: duongneo | Ngày: 26/07/2017 | Lượt xem: 86 | Lượt tải: 0download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Đề tài Thiết kế các bài thí nghiệm cho phòng thí nghiệm vật lý hạt nhân trường Đại học sư phạm TP Hồ Chí Minh, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ  VÕ THỊ TUYẾT PHƯỢNG LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuyên ngành: Vật lý Hạt Nhân Người hướng dẫn: ThS. Hoàng Đức Tâm TP. Hồ Chí Minh, 5/2010 LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện và hoàn thành khóa luận này, ngoài những nỗ lực của cá nhân, em còn nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình và lời động viên của quý thầy cô trong Khoa Vật lý Trường Đại học Sư phạm TP. Hồ Chí Minh đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất để em hoàn thành việc đo đạc thực nghiệm Xin cho em được bày tỏ lòng biết ơn đến thầy Hoàng Đức Tâm, thầy đã tận tình hướng dẫn em, truyền thụ cho em những kiến thức để hoàn thành tốt khóa luận này. Em xin cảm ơn đến thầy Trần Thiện Thanh – giảng viên Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên đã giúp đỡ em và truyền đạt kiến thức thực nghiệm về hạt nhân để em hoàn thành luận văn này. Xin cảm ơn gia đình luôn sát cánh bên con trong suốt thời gian học đại học, luôn là chỗ dựa tinh thần cho con. Cảm ơn tập thể lớp Cử nhân lý khóa 32 đã luôn ở bên cạnh và giúp đỡ mình trong những lúc khó khăn và động viên em trong suốt thời gian làm bài luận này. Võ Thị Tuyết Phượng MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Ngày nay việc triển khai ứng dụng Vật lý hạt nhân trong các lĩnh vực đời sống đang được quan tâm vì những hiệu quả và lợi ích mà nó đem lại. Bên cạnh đó hiện nay nước ta đang chuẩn bị xây dựng nhà máy điện hạt nhân tại Ninh Thuận. Do vậy việc chuẩn bị nguồn nhân lực là hết sức cần thiết. Hiện tại, các trường đại học trong cả nước đang đào tạo sinh viên chuyên ngành Vật lý hạt nhân trong đó có trường Đại học Sư phạm Tp.Hồ Chí Minh. Để tạo điều kiện tốt cho sinh viên thực hành chuyên đề Vật lý hạt nhân trường đã xây dựng Phòng thí nghiệm Vật lý hạt nhân, nhằm phục vụ cho công tác này các thiết bị này trong Phòng thí nghiệm hiện tại đang được đưa vào phục vụ cho công tác đào tào. Chính vì lý do trên mà em đã chọn đề tài “THIẾT KẾ CÁC BÀI THÍ NGHIỆM CHO PHÒNG THÍ NGHIỆM VẬT LÝ HẠT NHÂN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP.HỒ CHÍ MINH” nhằm hoàn chỉnh thêm việc giảng dạy thực hành cho sinh viên ngành Cử nhân Vật lý, Trường Đại học Sư phạm Tp.Hồ Chí Minh. 2. Mục tiêu đề tài - Tìm hiểu cơ chế hoạt động của các thiết bị ghi đo bức xạ máy đo alpha, beta phông thấp UMF 2000, máy đo đơn kênh Ludlum Model 2200, máy đo Gamma Ray 8K. - Thiết kế 5 bài thí nghiệm dựa trên các thiết bị ghi đo trong phòng thí nghiệm vật lý hạt nhân. 2. Bố cục luận văn Ngoài phần mở đầu và kết luận luận văn chia làm 3 chương: Chương 1: Tổng quan về bức xạ và thiết bị ghi nhận bức xạ Chương 2: Thiết kế các bài thí nghiệm Chương 3: Kết quả báo cáo thực nghiệm CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ BỨC XẠ VÀ THIẾT BỊ GHI NHẬN BỨC XẠ 1.1. Nguồn phóng xạ alpha , beta và gamma Nguồn phóng xạ để chỉ các chất đồng vị phóng xạ phát ra các tia alpha, beta và gamma. Các nguồn phóng xạ này được sản xuất trong các lò phản ứng hạt nhân hay các máy gia tốc. Có 2 dạng nguồn phóng xạ: Nguồn phóng xạ kín: là nguồn phóng xạ được bọc kín trong vỏ thép không gỉ. Nguồn này đã được kiểm tra về tính bền cơ học, tính chịu nhiệt, độ kín, chịu áp suất...Nguồn kín còn được đặt trong buồng bằng chì để vừa che chắn vừa bảo vệ. Các nguồn phóng xạ kín thường được dùng trong các thiết bị đo mức vật liệu, đo mật độ, nghiên cứu khoa học, chiếu xạ khử trùng y tế... Nguồn phóng xạ hở được sản xuất dưới dạng dung dịch lỏng, dạng rắn hay dạng bột chứa trong lọ thủy tinh hay plastic mà không có vỏ bọc kín như trong nguồn kín. Các nguồn được sử dụng để nghiên cứu hay chẩn đoán, nghiên cứu sự vận chuyển vật liệu trong các quá trình sản xuất công nghiệp... Các chất đồng vị phóng xạ khi phân rã phát các hạt alpha hoặc beta và sau đó phát tiếp gamma. Chúng được sử dụng như một trong các dạng nguồn phóng xạ. Do đó nguồn phóng xạ loại này được xem như là nguồn alpha, beta hoặc nguồn gamma tùy theo mục đích sử dụng. Bảng 1.1: Một số nguồn phóng xạ alpha, beta, gamma Tên Đồng vị Loại bức xạ Năng lượng (MeV) Thời gian bán rã Dạng nguồn Americium 241Am  5,48 458 năm Kín  0,060 Cobalt 60 Co  1,173; 1,332 5,27 năm Kín Caesium 137Cs  0,662 30 năm Kín Strontium 90Sr  2,27 28 năm Kín Krypton 85 Kr  0,67 10,6 năm Kín Iodine 131I  0,080; 0,284; 0,364;0,637 8 ngày Hở Dung dịch Technecium 99m Tc  140,5 6 giờ Hở Dung dịch Phosphorus 32 P  1,711 15 ngày Hở Họ uranium 238 U  4,18 4,51.109 năm Kín 234 U  4,763 2,48.105 năm Kín 234Th  0,193; 0,103 24,10 ngày Kín 234 Pa  0,5 6,66 h Kín 1.2. Tương tác của bức xạ với vật chất Khi đi xuyên qua vật chất các hạt tương tác với các nguyên tử môi trường, tức là tương tác với electron và hạt nhân. Nếu bỏ qua tương tác hấp dẫn thì các hạt sẽ tham gia các tương tác mạnh, tương tác yếu, tương tác điện từ. Các hạt alpha, deutron, proton, neutron có thể tham gia vào tương tác mạnh. Ngoài ra lượng tử gamma tham gia vào tương tác yếu. Trong quá trình tương tác của bức xạ với vật chất, năng lượng của tia bức xạ được truyền cho các electron quỹ đạo hoặc cho hạt nhân nguyên tử, tùy thuộc vào loại hạt và năng lượng của bức xạ cũng như bản chất của môi trường hấp thụ. Các hiệu ứng chung khi tương tác của bức xạ với vật chất là kích thích và ion hóa nguyên tử môi trường. 1.2.1. Tương tác của hạt alpha với vật chất 1.2.1.1. Sự truyền năng lượng của hạt alpha Cơ chế mất năng lượng của hạt alpha là kích thích và ion hóa nguyên tử. Sự kích thích là đưa nguyên tử của môi trường ở trạng thái cơ bản lên trạng thái mức năng lượng cao hơn (mức kích thích). Sự ion hóa nguyên tử là hạt alpha truyền năng lượng cho electron nguyên tử và electron này có năng lượng lớn hơn năng lượng liên kết của electron với hạt nhân nên bay ra ngoài. Do hạt alpha có điện tích là +2e lớn hơn hạt beta và khối lượng rất lớn, do đó vận tốc của nó thấp, nên độ ion hóa riêng của hạt alpha rất cao, vào khoảng hàng nghìn cặp ion trên 1 cm trong không khí. 1.2.1.2. Quãng chạy của hạt alpha trong vật chất Hạt alpha có khả năng đâm xuyên thấp nhất trong số các bức xạ ion hóa. Trong không khí, ngay cả hạt alpha có năng lượng cao do các nguồn phóng xạ phát ra cũng chỉ đi được vài cm, còn trong môi trường mô sinh học quãng chạy của nó cỡ micromet. Hình 1.1: Đường cong hấp thụ của hạt alpha Có 2 định nghĩa về quãng chạy hạt alpha là quãng chạy trung bình và quãng chạy ngoại suy. Đường cong hấp thụ của hạt alpha có dạng phẳng vì nó là hạt đơn năng. Ở cuối quãng chạy, số đếm các hạt alpha giảm nhanh khi tăng bề dày chất hấp thụ. Quãng chạy trung bình được xác định ở nửa chiều cao đường hấp thụ còn quãng chạy ngoại suy được xác định khi ngoại suy đường hấp thụ đến giá trị 0. Quãng chạy của hạt alpha trong không khí ở 0oC và áp suất 760 mm thủy ngân được biểu diễn bằng cách gần đúng, với sai số tương đối 10% như sau : R 0,56E cm với E< 4MeV (1.1) R 1, 24E 2,62  cm với 4MeV< E< 8MeV (1.2) Quãng chạy của hạt alpha trong các môi trường khác Rm có thể tính qua quãng chạy đối với môi trường không khí. 1/3 2 mR 0,56A mg / cm (1.3) Trong đó A là số khối của môi trường 1.2.2. Tương tác của hạt beta với vật chất 1.2.2.1. Sự ion hóa Do hạt beta mang điện tích nên cơ chế tương tác của hạt beta là tương tác tĩnh điện với các electron quỹ đạo làm kích thích và ion hóa môi trường. Hạt beta mất một phần năng lượng Et để đánh bật một electron ra ngoài. Gọi Ek là động năng của electron bị bắn ra liên hệ với thế ion hóa của nguyên tử E và độ mất năng lượng Et như sau: k tE E E  (1.4) Trong nhiều trường hợp electron bị bắn ra có động năng đủ lớn để có thể ion hóa nguyên tử tiếp theo gọi là electron thứ cấp hay delta electron. Do hạt beta chỉ mất một phần năng lượng Et để ion hóa nguyên tử nên dọc theo đường đi của mình, nó có thể gây ra một số lớn cặp ion. Mặt khác do hạt beta có khối lượng bằng khối lượng electron quỹ đạo nên va chạm giữa chúng làm hạt beta chuyển động lệch khỏi hướng ban đầu. Vì thế mà hạt beta chuyển động theo đường cong khúc khuỷu sau nhiều va chạm trong môi trường hấp thụ và cuối cùng sẽ dừng lại khi hết năng lượng ion hóa. Dọc theo đường đi của hạt beta có rất nhiều cặp ion tạo nên do quá trình ion hóa sơ cấp của hạt beta ban đầu lẫn quá trình ion hóa thứ cấp do các hạt delta electron. 1.2.2.2. Độ ion hóa riêng Độ ion hóa riêng là số cặp ion tạo ra trên một quãng đường đi đơn vị của hạt beta. Độ ion hóa riêng khá cao đối với hạt beta có năng lượng thấp, giảm dần khi tăng năng lượng hạt beta, đạt cực tiểu ở năng lượng 1 MeV và sau đó tăng chậm. Hình 1.2: Độ ion hóa riêng đối với không khí phụ thuộc vào năng lượng hạt electron Độ ion hóa riêng được xác định qua tốc độ mất năng lượng tuyến tính của hạt beta do ion hóa và kích thích. 1.2.2.3. Hệ số truyền năng lượng tuyến tính Khi quan tâm đến môi trường hấp thụ, thường sử dụng tốc độ hấp thụ năng lượng tuyến tính của môi trường khi hạt beta đi qua nó gọi là hệ số truyền năng lượng tuyến tính. Hệ số truyền năng lượng tuyến tính LET được định nghĩa theo công thức: ldELET dl  (1.5) Trong đó ldE là năng lượng trung bình mà hạt beta truyền cho môi trường hấp thụ khi đi qua quãng đường dài dl . Đơn vị là keV / m 1.2.2.4. Bức xạ hãm Khi hạt beta đến gần hạt nhân, lực hút Coulomb mạnh làm nó thay đổi đột ngột hướng bay ban đầu và mất năng lượng dưới dạng bức xạ điện từ hay gọi là bức xạ hãm. Năng lượng của bức xạ hãm phân bố liên tục từ 0 đến giá trị cực đại bằng động năng của hạt beta. 1.2.2.5. Quãng chạy của hạt beta trong vật chất Do hạt beta mất năng lượng dọc theo đường đi của mình nên nó chỉ đi được một quãng đường hữu hạn. Và quãng đường này gọi là quãng chạy của hạt beta phụ thuộc vào năng lượng hạt beta và mật độ vật chất của môi trường hấp thụ. Hình 1.3: Sự phụ thuộc quãng chạy cực đại của các hạt beta vào năng lượng của chúng đối với một số vật liệu hấp thụ. 1.2.3. Tương tác của tia gamma với vật chất 1.2.3.1. Sự suy giảm của bức xạ gamma khi đi qua môi trường Bức xạ gamma chỉ bị suy giảm về cường độ chùm tia khi tăng bề dày vật chất mà không bị hấp thụ hoàn toàn. Thật vậy khi ta xét một chùm tia đơn năng với cường độ ban đầu là I0. Sự thay đổi cường độ khi đi qua lớp mỏng vật liệu dx bằng : dI dx  (1.6) Trong đó  là hệ số suy giảm tuyến tính và có thứ nguyên là (độ dài)-1 thường tính theo cm-1. Lấy tích phân phương trình (1.6) từ 0 đế x ta được : x 0I I e  (1.7) Công thức (1.7) sự suy giảm theo hàm số mũ của cường độ chùm gamma hẹp và đơn năng. Hình 1.4: Sự suy giảm của chùm tia gamma hẹp theo bề dày Các đường liền là chùm tia gamma đơn năng 0,661 MeV, đường gạch nối là chùm tia đa năng. Hệ số suy giảm tuyến tính  phụ thuộc vào năng lượng bức xạ gamma và mật độ vật liệu môi trường. 1.2.3.2. Cơ chế tương tác của bức xạ gamma với vật chất Tương tác của gamma không gây hiện tượng ion hóa trực tiếp như hạt mang điện. Tuy nhiên khi gamma tương tác với nguyên tử nó làm bứt electron quỹ đạo ra khỏi nguyên tử hay sinh ra cặp electron - positron (là hạt có khối lượng bằng khối lượng electron nhưng có điện tích là +1e). Các electron bứt ra này gây ion hóa và đó là cơ chế cơ bản mà gamma có thể ghi nhận được. Có 3 dạng tương tác cơ bản : hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton và sự tạo cặp.  Hiệu ứng quang điện Photon có năng lượng thấp (cỡ vài trăm eV) khi đập vào electron nguyên tử truyền toàn bộ năng lượng của nó electron. Electron được thoát ra khỏi nguyên tử và photon bị hấp thụ hoàn toàn, đó là hiệu ứng quang điện. Hình 1.5: Hiệu ứng quang điện - Hiệu ứng xảy ra khi Ephoton > E lk. - Hiệu ứng xảy ra chủ yếu Ephoton lớn hơn một ít E lk đặc biệt là đối với electron liên kết chặt chẽ nhất với nguyên tử (electron ở lớp vỏ K). - Hiệu ứng giảm khi Ephoton tăng. - Hiệu ứng tăng khi số nguyên tử tăng (tỷ lệ với Z). Do năng lượng liên kết thay đổi theo số nguyên tử Z nên tiết diện tương tác quang điện phụ thuộc vào Z theo quy luật Z5. Tiết diện hiệu ứng quang điện 5 photon 7/2 Z E   khi lkE E (1.8) 5 photon Z E   khi lkE E (1.9) Trong đó E là năng lượng của bức xạ gamma, Elk là năng lượng liên kết của electron với hạt nhân nguyên tử.  Hiệu ứng Compton Photon có năng lượng cao hơn, va chạm vào electron của nguyên tử truyền một phần năng lượng của nó cho electron. Khi đó electron được gia tốc, photon bị lệch hướng và chuyển động với năng lượng thấp hơn. Hiệu ứng xảy ra chủ yếu đối với photon năng lượng trung bình và giảm khi Ephoton tăng. Hình 1.6: Hiệu ứng Compton Quá trình tán xạ Compton có thể xem là quá trình tán xạ đàn hồi lên electron tự do. Trong quá trình tán xạ đàn hồi của gamma với năng lượng E lên electron đứng yên ta có công thức với năng lượng Evà electron Ee sau tán xạ phụ thuộc vào góc bay  của gamma sau tán xạ : e (1 cos ) E E 1 (1 cos )        (1.10) 1 E E 1 (1 cos )      (1.11) Trong đó 2 e E m c   và 31em 9,110  kg là khối lượng electron. Góc bay  sau tán xạ liên hệ với góc  như sau : 1 tg( ) ctg E 21 E       (1.12) Góc bay của gamma sau tán xạ càng lớn thì E càng bé, nghĩa là gamma càng mất nhiều năng lượng. Tiết diện quá trình tán xạ Compton tỷ lệ thuận với điện tích Z của nguyên tử và tỷ lệ nghịch với năng lượng gamma compt Z E   (1.13)  Sự tạo cặp Photon có năng lượng >1,02 MeV đập vào nguyên tử thì hoặc là nó tương tác với trường Coulomb của hạt nhân hoặc là của electron (ít gặp hơn) tạo thành cặp e-,e+ (được gọi là hiệu ứng tạo cặp). Năng lượng gamma vượt quá 1,02 MeV được dùng để cung cấp động năng cho e-, e+. Positron được tạo ra sẽ kết hợp với electron của nguyên tử và bị hủy với sự phát ra 2 photon năng lượng 0,511 MeV cho mỗi photon và chạy theo các hướng ngược chiều nhau ( hiện tượng này gọi là hiện tượng hủy cặp). Tiết diện tạo cặp phức tạp trong miền năng lượng 5 mec 2 < E < 50 mec 2 2 pair Z ln E  (1.14) Trong công thức (1.14) thì tiết diện tạo cặp electron-positron gần tỷ lệ với Z2 nên có giá trị lớn đối với chất hấp thụ với số nguyên tử lớn. Hình 1.7: Hiệu ứng sinh cặp electron-positron 1.3. Các detector trong phòng thí nghiệm Khi các hạt alpha, beta và gamma đi qua môi trường vật chất, thì các hạt sẽ mất năng lượng của mình trong quá trình tương tác khác nhau với các electron và hạt nhân của nguyên tử vật chất. Khi đó các hạt chỉ mất một phần hoặc toàn bộ năng lượng của chúng một cách từng phần hay cùng một lúc, phụ thuộc vào dạng tương tác. Các detector sẽ biến đổi những năng lượng này thành một dạng năng lượng nào đó, phù hợp với quá trình ghi nhận các hạt. Thông thường, năng lượng của các hạt bị mất đi trong quá trình tương tác với vật chất được biến thành điện năng. Sự hoạt động của hầu hết các detector dựa trên sự phát hiện các hiệu ứng ion hóa hoặc kích thích các nguyên tử hay phân tử vật chất gây nên do các hạt trong môi trường vật chất đi qua. Việc lựa chọn các detector để nghiên cứu các hạt alpha, beta và gamma phụ thuộc vào tính chất của chúng, tính chất tương tác với vật chất, những điều kiện đặc thù của từng bài thí nghiệm. Những detector này cho phép ta phát hiện và ghi nhận các hạt đo được năng lượng toàn phần, khả năng ion hóa của các hạt, hoạt độ của nguồn phóng xạ. 1.3.1. Detector nhấp nháy NaI(Tl). Bao gồm: - Tinh thể nhấp nháy bằng chất NaI có pha thêm hoạt hóa Thallium - Ống nhân quang điện Vai trò của tinh thể nhấp nháy: khi lượng tử gamma tương tác với vật chất nhấp nháy, nó sẽ tạo ra electron tự do có động năng lớn qua một trong ba cơ chế trên. Electron này sẽ kích thích các phân tử của chất nhấp nháy và khi các phân tử này trở về trạng thái cơ bản sẽ phát ra chớp sáng. Chất nhấp nháy vô cơ là Iodine sodium, được kích hoạt bởi thallium NaI (Tl), có cường độ sáng rất cao và phụ thuộc tuyến tính vào năng lượng hạt bức xạ, có mật độ 3,67 g/cm3 và số nguyên tử hiệu dụng bằng 50, do đó hiệu suất ghi tương đối cao và được sử dụng tốt trong hệ phổ kế gamma. Độ phân giải năng lượng của detector NaI (Tl) phụ thuộc vào kích thước của nó, tinh thể NaI (Tl) hình trụ kích thước 3”x3” có độ phân giải cỡ 7,5-8,5 % tại vạch năng lượng tia gamma là 0,661 MeV. Các tinh thể có kích thước lớn hơn hoặc bé hơn có độ phân giải kém hơn. Tín hiệu lối ra ở detector nhấp nháy có biên độ khá lớn, thời gian nhấp nháy cỡ 0,25 s nên không thuận tiện khi sử dụng trong việc đếm nhanh. Vì tinh thể NaI (Tl) dễ hút ẩm nên nó được đặt trong một vỏ nhôm kín về 3 phía, mặt còn lại được dán vào cửa sổ ống nhân quang điện. Vai trò của ống nhân quang điện: ống nhân quang điện bao gồm một photocatot, một anot và một hệ các điện cực trung gian gọi là đynot. Một điện áp cao được đặt giữa catot và anot, các đynot được cung cấp một phần điện áp cao bởi một bộ chia thế. Tia sáng phát ra từ tinh thể nhấp nháy đập vào photocatot sẽ tạo ra hiệu ứng quang điện và các photo-electron. Các photo-electron này được gia tốc bởi điện trường giữa các đynot và mỗi lần đập vào đynot lại tạo ra electron thứ cấp, số electron được nhân lên 2-5 lần sau mỗi lần đập vào đynot. Sau khi đập vào n đynot thì chùm electron tăng lên M lần M=(aV)n (1.15) M: hệ số nhân của ống nhân quang điện. Tại anot ta có một xung dòng điện. Xung dòng này tạo ra trên điện trở anot một xung điện áp có biên độ tỷ lệ với năng lượng gamma bị hấp thụ trong tinh thể nhấp nháy. 1.3.2. Detector bán dẫn Silicon. Chất bán dẫn thường sử dụng là Si và Ge. Khi lượng tử gamma bay vào chất bán dẫn, nó sẽ tạo nên electron tự do thông qua 3 hiệu ứng chủ yếu như với tinh thể nhấp nháy. Electron tự do di chuyển với động năng lớn sẽ làm kích thích các electron chuyển lên vùng dẫn và để lại lỗ trống. Như vậy thông qua các hiệu ứng tương tác, bức xạ gamma đã tạo nên một loạt electron và lỗ trống trong tinh thể bán dẫn. Dưới tác động của điện trường các electron sẽ chuyển động về cực dương, các lỗ trống chuyển động về phía cực âm, kết quả là ta có một xung dòng điện ở lối ra. Năng lượng cần thiết để tạo ra được một cặp electron - lỗ trống trong Si là 3,61 eV. Sử dụng Si để chế tạo detector, tinh thể bán dẫn này có độ rộng vùng cấm nhỏ và độ linh động của electron và lỗ trống lớn. Độ rộng vùng cấm nhỏ cho nên năng lượng cần thiết để tạo ra một cặp ion trong chất bán dẫn nhỏ hơn trong chất khí hàng chục lần. Độ linh động của electron và lỗ trống cao bảo đảm cho biên độ xung tín hiệu không phụ thuộc vào quỹ đạo của hạt ion hóa với khả năng phân giải theo thời gian cao. CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ CÁC BÀI THÍ NGHIỆM 2.1. Hệ đo Alpha-Beta UMF 2000 2.1.1. Thiết bị 2.1.1.1. Giới thiệu hệ đo Máy đo tổng hoạt độ alpha và beta được sử dụng với các mục đích sau : - Đo tổng hoạt độ beta của hạt nhân phóng xạ trong các mẫu như thực phẩm, mẫu đất, nước, phin lọc không khí... - Đo tổng hoạt độ alpha của hạt nhân phóng xạ đối với mẫu dày và mỏng. Hình 2.1: Máy UMF 2000 Máy UMF 2000 là thiết bị dùng trong phòng thí nghiệm là chủ yếu. Máy có 5 bộ phận chính: thiết bị đo, bộ phận điều khiển, bộ phận bảo vệ hoạt động, bộ phận điện tử, bộ phận đếm gộp hai kênh cùng với đồng hồ đếm.  Thiết bị đo - Detector bán dẫn được làm từ silic nhôm có điện trở cao với diện tích của detector là 20x20 mm, nó được đặt trên một giá bằng đồng có mạ Crom. Giá đỡ đựng mẫu được đặt sát detector. - Detector bán dẫn biến đổi năng lượng của hạt alpha và beta thành tín hiệu điện ở tiền khuếch đại. Detector có khả năng đo năng lượng beta từ mức 50 keV.  Bộ phận điều khiển - Gồm có nguồn cung cấp, cao thế và bộ phận bảo vệ mạch điện. - Điện thế cung cấp là 220 V.  Bộ phận bảo vệ hoạt động Dùng để làm giảm sự ảnh hưởng của những tia bức xạ vũ trụ ảnh hưởng đến kết quả đo.  Bộ phận điện tử Được cấu tạo từ các phần riêng biệt: tiền khuyếch đại, khuyếch đại, khối tạo dạng xung, khối biến đổi tương tự s